1.1.3 分散控制系统的发展历程

从 1975 年第一套 DCS 诞生到现在，DCS 经历了三个大的发展阶段，或者说经历了三代产品。从总的趋势看，DCS的发展体现在以下六个方面：

☺ 系统的功能从低层（现场控制层）逐步向高层（监督控制、生产调度管理）扩展。

☺ 系统的控制功能由单一的回路控制逐步发展到综合了逻辑控制、顺序控制、程序控制、批量控制及配方控制等的混合控制功能。

☺ 构成系统的各个部分由DCS厂家专有的产品逐步改变为开放的市场采购的产品。

☺ 开放的趋势使得DCS厂家越来越重视采用公开标准，这使第三方产品更加容易集成到系统中。

☺ 开放性带来的系统趋同化迫使DCS厂家向高层的、与生产工艺结合紧密的高级控制功能发展，以求得与其他同类厂家的差异化。

☺ 数字化的发展越来越向现场延伸，这使得现场控制功能和系统体系结构发生了重大变化，最终将发展成为更加智能化、更加分散化的新一代控制系统。

1.第一代DCS（初创期）

第一代DCS是指1975—1980年出现的第一批系统，控制界称这个时期为初创期或开创期。这个时期的代表产品是率先推出 DCS 的 Honeywell 公司的 TDC-2000 系统，同期的还有横河（Yokogawa）公司的Yawpark系统、Foxboro 公司的Spectrum系统、Bailey公司的Network90 系统、Kent 公司的 P4000 系统、Siemens 公司的 TelepermM 系统及东芝公司的TOSDIC系统等。

在描述第一代 DCS 时，一般都以 Honeywell 公司的 TDC-2000 为模型。第一代 DCS 是由过程控制单元、数据采集单元、操作员站及连接各个单元和计算机的数据高速公路几部分组成的，这也奠定了 DCS 的基础体系结构，如图1-1所示。

这个时期的系统特点如下：

（1）比较注重控制功能的实现，系统的设计重点是现场控制站，系统均采用当时最先进的微处理器来构成现场控制站，因此系统的直接控制功能比较成熟可靠。

（2）系统的人机界面功能则相对较弱，在实际中只用 CRT 操作站进行现场工况的监视，使得提供的信息也有一定的局限。

（3）在功能上更接近仪表控制系统，这是由于大部分推出第一代 DCS 的厂家都有仪器仪表生产和系统工程的背景。其分散控制、集中监视的特点与仪表控制系统类似，所不同的是控制的分散不是到每个回路，而是到现场控制站，一个现场控制站所控制的回路从几个到几十个不等；集中监视所采用的是 CRT 显示技术和控制键盘操作技术，而不是仪表面板和模拟盘。

（4）各个厂家的系统均由专有产品构成，包括数据高速公路、现场控制站、人机界面工作站及各类功能性的工作站等。这与仪表控制时代的情况相同，不同的是，DCS 并没有像仪表那样形成4～20mA 的统一标准，各个厂家的系统在通信方面是自成体系的。由于当时网络技术的发展也不成熟，还没有厂家采用局域网标准，而是各自开发自引技术的高速数据总线（或称数据高速公路），各个厂家的系统并不能像仪表系统那样可以实现信号互通和产品互换。这种由独家技术、独家产品构成的系统形成了极高的价位，不仅系统的购买价格高，而且系统的维护运行成本也高，可以说这个时期的 DCS 是超利润时期，因此其应用范围也受到一定的限制，只在一些要求特别高的关键生产设备上得到了应用。

DCS 在控制功能上比仪表控制系统前进了一大步，特别是采用了数字控制技术，许多仪表控制系统无法解决的复杂控制、多参数滞后、整体协调优化等控制问题得到了实现。DCS 在系统的可靠性、灵活性等方面又大大优于直接数字控制系统（DDC），因此一经推出就显示出了强大的生命力，得到了迅速的发展。

2.第二代DCS（成熟期）

第二代 DCS 是在 1980—1985 年推出的各种系统，其中包括 Honeywell 公司的 TDGC-3000、Fisher公司的PROVOX、Taylor公司的MOD300及Westinghouse公司的WDPF等系统。第二代DCS基本结构如图1-2所示。

第二代 DCS 的最大特点是引入了局域网（LAN）作为系统骨干，按照网络节点的概念组织过程控制站、中央操作站、系统管理站及网关（Gateway，用于兼容早期产品），这使得系统的规模、容量进一步增加，系统的扩充有更大的余地，也更加方便。这个时期的系统开始摆脱仪表控制系统的影响，而逐步靠近计算机系统。

在功能上，这个时期的DCS逐步走向完善，除回路控制外，还增加了顺序控制、逻辑控制等功能，加强了系统管理站的功能，可实现一些优化控制和生产管理功能。在人机界面方面，随着CRT显示技术的发展，图形用户界面逐步丰富，显示密度大大提高，操作人员可以通过 CRT 的显示得到更多的生产现场信息和系统控制信息。在操作方面，从过去单纯的键盘操作（命令操作界面）发展到基于屏幕显示的光标操作（图形操作界面），轨迹球、光笔等光标控制设备在系统中得到了越来越多的应用。

由于系统技术的不断成熟，更多的厂家参与竞争，DCS 的价格开始下降，这使得 DCS的应用更加广泛。但是，在系统的通信标准方面仍然没有进展，各个厂家虽然在系统的网络技术上下了很大功夫，也有一些厂家采用了专业实时网络开发商的硬件产品，但在网络协议方面，仍然各自为政，不同厂家的系统之间基本不能进行数据交换。系统的各个组成部分，如现场控制站、人机界面工作站、各类功能站及软件等，都是各个DCS厂家的专有技术和产品。因此，从用户的角度看，DCS 仍是一种购买成本、运行成本及维护成本都很高的系统。

3.第三代DCS（扩展期）

第三代 DCS 以 1987 年 Foxboro 公司推出的 I/ASeries 为代表，该系统采用 ISO 标准MAP（制造自动化规约）网络。这一时期的系统除 I/ASeries 外，还有 Honeywell 公司的TDC-3000/UCN、Yokogawa 公司的 Centum-XL 和/1XL、Bailey 公司的 INFI-90、Westinghouse公司的WDPFⅡ、Leeds&Northrup公司的MAX1000及日立公司的HIACS系列等。如图1-3所示为第三代DCS基本结构。

这个时期的 DCS 在功能上实现了进一步扩展，增加了上层网络，将生产的管理功能纳入系统中，从而形成直接控制、监督控制和协调优化、上层管理三层功能结构，这实际上就是现代DCS的标准体系结构。这样的体系结构已经使DCS成为一个很典型的计算机网络系统，而实施直接控制功能的现场控制站，在其功能逐步成熟并标准化后，成为整个计算机网络系统中的一类功能节点。进入20世纪90年代，已经很难比较出各个厂家的DCS在直接控制功能方面的差异，而各种 DCS 的差异则主要体现在与不同行业应用密切相关的控制方法和高层管理功能方面。

在网络方面，各个厂家已普遍采用了标准的网络产品，如各种实时网络和以太网等。到20世纪90年代后期，很多厂家将目光转向了只有物理层和数据链路层的以太网及在以太网之上的 TCP/IP。这样，在高层（即应用层）虽然还是各个厂家自己的标准，系统间还无法直接通信，但至少在网络的低层，系统间是可以互通的，高层的协议则通过开发专门的转换软件实现互通。

除了功能上的扩充和网络通信的部分实现外，多数 DCS 厂家在组态方面实现了标准化，由IEC61131-3所定义的五种组态语言为大多数DCS厂家采纳，在这方面为用户提供了极大的便利。各个厂家对 IEC61131-3 的支持程度不同，有的只支持一种，有的则支持五种，支持的程度越高，给用户带来的便利就越多。

在构成系统的产品方面，除现场控制站基本上还是各个 DCS 厂家的专有产品外，人机界面工作站、服务器及各种功能站的硬件和基础软件，如操作系统等，已没有哪个厂家使用自己的专有产品了，这些产品已全部采用了市场采购的商品，这给系统的维护带来了极大的方便，也使系统的成本大大降低。目前 DCS 已逐步成为一种大众产品，在越来越多的应用中取代了仪表控制系统而成为控制系统的主流。

4.新一代DCS的出现

DCS 发展到第三代，尽管采用了一系列新技术，但是生产现场层仍然没有摆脱沿用了几十年的常规模拟仪表。DCS 在输入/输出单元（IOU）以上的各层均采用了计算机和数字通信技术，唯有生产现场层的常规模拟仪表仍然是一对一模拟信号（DC 4～20mA）传输，多台模拟仪表集中接于 IOU。生产现场层的模拟仪表与 DCS 各层形成极大的反差和不协调，并制约了 DCS 的发展。电子信息产业的开放潮流和现场总线技术的成熟与应用，造就了新一代的DCS，其技术特点包括全数字化、信息化和集成化。

因此，人们要变革现场模拟仪表，改为现场数字仪表，并用现场总线（Field Bus）互联。由此带来 DCS 控制站的变革，即将控制站内的软功能模块分散地分布在各台现场数字仪表中，并统一组态构成控制回路，实现彻底的分散控制。也就是说，由多台现场数字仪表在生产现场构成虚拟控制站（Virtual Control Station，VCS）。这两项变革的核心是现场总线。

20世纪90年代现场总线技术有了重大突破，公布了现场总线的国际标准，而且，现场总线数字仪表也成功生产。现场总线为变革DCS带来希望和可能，标志着新一代DCS的产生，它取名为现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS），其结构原型如图 1-4 所示。该图中流量变送器（FT）、温度变送器（TT）、压力变送器（PT）分别含有对应的输入模块 FI-121、TI-122、PI-123，调节阀（V）中含有 PID 控制模块（PID-124）和输出模块（FO-125），用这些功能模块就可以在现场总线上构成PID 控制回路。

现场总线接口（Field Bus Interface，FBI）下接现场总线，上接局域网（LAN），即FBI作为现场总线与局域网之间的网络接口。FCS 革新了 DCS 的现场控制站及现场模拟仪表，用现场总线将现场数字仪表互联在一起，构成控制回路，形成现场控制层。即 FCS 用现场控制层取代了DCS的直接控制层，操作监控层及以上各层仍然与DCS相同。

实际上，现场总线技术早在 20 世纪 70 年代末就出现了，但始终只是作为一种低速的数字通信接口，用于传感器与系统之间交换数据。从技术上来说，现场总线并没有超出局域网的范围，其优势在于它是一种低成本的传输方式，比较适合数量庞大的传感器连接。现场总线大面积应用的障碍在于传感器的数字化，因为只有传感器数字化了，才有条件使用现场总线作为信号的传输介质。现场总线的真正意义在于这项技术再次引发了控制系统从仪表（模拟技术）发展到计算机（数字技术）的过程中，没有新的信号传输标准的问题，人们试图通过现场总线标准的形成来解决这个问题。只有这个问题得到了彻底解决，才可以认为控制系统真正完成了从仪表到计算机的换代。